随着人口激增和城市化进程加深,土地稀缺逐渐成为制约上海经济发展的关键性难题。长江口滩涂是上海市的主要后备土地资源,对其进行围垦和开发可以有效解决土地问题,但围垦引起的栖息地减少和水生动物多样性降低等生态问题也是不可忽视的。大型底栖动物是河口生态系统重要的水生动物类群,在食物网的物质循环和能量流动中扮演着承上启下的角色。由于生命周期较长、活动能力较弱、环境敏感性较高,大型底栖动物群落结构变化被认为是监测生境健康状况的理想生态指标。为研究围垦工程对河口滩涂大型底栖动物的影响。本研究对长江口横沙东滩和崇明东滩的大型底栖动物进行了长期野外调查,探讨围垦对大型底栖动物群落的影响过程,以及主要环境因子与大型底栖动物群落退化的关系。同时,通过对人工修复湿地——长江口牡蛎礁大型底栖动物多样性的调查和分析,初探大型底栖动物群落恢复的适合方法。在此基础上,模拟围垦湿地水体盐度淡化过程,对优势种无齿螳臂相手蟹(Chiromantes dehaani)的渗透和离子调节酶、能量代谢、抗氧化和免疫因子、消化酶等生理生化指标,以及性腺发育、繁殖和胚胎存活等生殖过程进行研究,以期为了解围垦对大型底栖动物的影响机制积累基础资料。具体研究结果如下:1围垦对横沙东滩和崇明东滩大型底栖动物群落结构的影响1.1横沙东滩大型底栖动物群落结构于2012年4月至2015年12月对横沙东滩大型底栖动物群落结构进行采样调查,设置5个研究区域:围堤内样区RI和对照样区RIC,围堤外样区RO和对照样区ROC,以及恢复样区R。结果显示,横沙东滩共记录大型底栖动物38种。样区R和RIC的物种数、优势种数、丰度、生物量和多样性相对较高,而样区RI的群落相关指数处于较低水平。从年际变化看,样区RI的原始优势种,如拟沼螺(Assiminea sp.)和谭氏泥蟹(Illyoplax deschampsi)在围垦1a后陆续消失,而摇蚊幼虫(Chironomidlarvae)取代原始物种成为群落的主导类群。样区RO的群落退化程度低于围堤内,但由于潮滩较窄且无植被覆盖,导致群落相关指数均处于较低水平。样区R的群落恢复趋势明显,且小个体物种的恢复水平较高。聚类和MDS分析显示,5个样区的大型底栖动物群落结构存在明显的差异。SIMPER分析显示,摇蚊幼虫和拟沼螺对群落差异的贡献率最高。以上结果说明,围垦会引起横沙东滩大型底栖动物群落结构发生变化,而保留湿地的大型底栖动物群落存在自然恢复的可能性。1.2横沙东滩大型底栖动物群落特征与环境因子的关系2012年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)和冬季(12月)对横沙东滩5个样区大型底栖动物群落的环境相关性进行调查研究。结果表明,大型底栖动物的丰度和生物量均存在显著空间差异(P<0.05),而在季节间没有显著性变化(P>0.05)。BIO-ENV和相关性分析显示,样区RI、RO和R的大型底栖动物群落构成与环境因子变化关系比较密切,影响三个区域的主要环境因子分别为盐度和沉积物含水率,溶解氧、pH和沉积物砂含量,水温和植被丰度。ABC曲线研究显示,样区RI、RO和R的底栖生境总体上受到中等程度的外界干扰,而样区RIC和ROC的生境未受到外界扰动。漏斗图分析说明,样区RI受到一定程度的人类干扰,而样区RO、ROC和R未受到人为因素扰动。因此,围垦对底栖生境和大型底栖动物群落的干扰十分明显,而盐度和沉积物含水率的降低可能是导致大型底栖动物群落退化的主要环境因子。1.3崇明东滩大型底栖动物群落结构于2014年4月-2015年12月对崇明东滩围垦潮滩的围堤内样区RI和围堤外样区RO,以及自然潮滩的对照样区RIC和ROC进行采样调查。结果显示,崇明东滩共收集大型底栖动物35种,隶属于5门7纲。样区RO的物种数、生物量和物种多样性指数,以及样区RIC的丰度和Λ+指数均处于较高水平。相反,样区RI的丰度、生物量、物种丰富度和⊿+指数,以及样区ROC的物种均匀度和Λ+指数的空间分布水平较低。从年际变化看,样区RI的多样性指数明显下降,且摇蚊幼虫(Chironomid larvae)的优势地位比较突出,而其它样区的群落变化不明显。聚类和MDS分析显示,2015年样区RI的大型底栖动物群落结构与其它样区存在明显差异。SIMPER分析证实拟沼螺、光滑狭口螺(Stenothgla glabra)和摇蚊幼虫是导致群落差异性的主要贡献物种。综上所述,围垦导致崇明东滩大型底栖动物群落结构出现明显变化。其中,围堤内群落多样性出现明显退化,而围堤外的群落状况优于围堤内以及对照的自然潮滩。1.4崇明东滩大型底栖动物群落特征与环境因子的关系于2014年春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)、冬季(12月)对崇明东滩4个样区大型底栖动物的环境相关性进行研究。结果显示,大型底栖动物的生物量在季节间差异显著(P<0.05),而丰度在季节和样区间均无显著性差异(P>0.05)。BIO-ENV和相关性分析显示,样区RI大型底栖动物群落的环境相关性相对较高,盐度、含水率和植被丰度是影响样区RI的主要环境因子,且与生物量呈显著正相关关系。ABC曲线分析显示,样区RI、RIC和ROC的底栖生境均受到不同程度的外界干扰,样区RO则未受到扰动。漏斗图分析证实,样区RI和RIC的生境受到人类扰动影响,而样区RO和ROC则未有人类干扰行为发生。以上结果说明,崇明东滩底栖生境受到围垦的严重干扰,围垦湿地内盐度、含水率和植被丰度的变化可能是导致大型底栖动物群落退化的主导环境因子。1.5长江口人工牡蛎礁大型底栖动物多样性的生态学研究于2013-2014年的夏季(8月)和秋季(10月)对长江口牡蛎礁的大型底栖动物进行调查。结果显示,大型底栖动物多样性在季节之间无显著性差异(P>0.05),而在各样点之间差异显著(P<0.05)。从空间分布看,高盐度区的物种丰富度较高,中盐度区的物种均匀度较高,南导堤样点的多样性指数总体上高于北导堤样点。将历史数据与本次调查结果结合观察大型底栖动物的十年变化情况,显示牡蛎和大型底栖动物多样性由大幅波动逐渐趋于稳定。漏斗图分析证实,样点N2和N6的生态环境可能分别受到比较严重的人类干扰,其它样点生境状况较好。冗余分析显示,水体盐度和基底环境状况可能是影响多样性分布的主要环境因子。研究表明,构建牡蛎礁对湿地环境有一定的修复效果,但部分岸段的健康状况和稳定性可能受到人类活动和工程的严重干扰。2盐度淡化对无齿螳臂相手蟹生理指标的影响2.1盐度淡化对无齿螳臂相手蟹渗透压、离子浓度和Na+/K+-ATPase活性的影响采用逐步降盐法,研究了盐度淡化(24‰、18‰、12‰、6‰、0‰0d、0‰24d)对无齿螳臂相手蟹血淋巴渗透压、离子浓度以及Na+/K+-ATPase活性的变化。结果显示,雌、雄蟹等渗点分别为609 mOsm/kg H20和599 mOsm/kg H20,等渗盐度接近20‰。随着盐度淡化,无齿螳臂相手蟹血淋巴渗透压、Na+、Cl-和K+浓度均呈显著下降趋势,而Ca2+浓度和Na+/K+-ATPase活性则出现升高。盐度降至0‰以后,Na+和Cl-浓度出现明显升高,而渗透压、K+和Ca2+浓度以及Na+/K+-ATPase活性则均呈下降趋势。雌蟹和雄蟹的血淋巴渗透压、离子浓度以及Na+/K+-ATPase活性均没有表现出显著性差异。2.2盐度淡化对无齿螳臂相手蟹能量代谢的影响采用逐步降盐法对无齿螳臂相手蟹进行低盐胁迫,并对组织蛋白质、脂类和碳水化合物含量检测。结果显示,雌、雄蟹血淋巴和肝胰腺蛋白质,鳃组织总脂肪,以及雌蟹血淋巴甘油三酯和雄蟹肝糖原含量在24-12%‰内维持相对稳定水平,而低于12‰时含量显著升高(P<0.05),而雌、雄蟹血淋巴总胆固醇和葡萄糖含量在24-18‰内小幅升高,而低于18‰时含量出现不同程度下降。盐度降至0‰后,雌、雄蟹的蛋白质和鳃组织总脂肪含量出现显著下降(P<0.05),而其它代谢指标没有显著性变化。雄蟹的代谢指标略高于雌蟹,但随着盐度变化存在一定差异。2.3盐度淡化对无齿螳臂相手蟹消化酶活性的影响对无齿螳臂相手蟹肝胰腺和胃组织的淀粉酶、纤维素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶和脂肪酶活性进行检测。结果显示,雄蟹胃蛋白酶和雌蟹胃组织胃蛋白酶活性在盐度为6-0%‰时被显著激活,而雄蟹胰蛋白酶,以及雌蟹肝胰腺胃蛋白酶和胃组织胰蛋白酶活性在盐度低于12‰时显著升高。相反,盐度低于18‰时,雌、雄蟹的肝胰腺纤维素酶、胃组织淀粉酶和A/T值,以及雄蟹肝胰腺淀粉酶活性受到不同程度的抑制。盐度降至0‰后,雄蟹胃组织淀粉酶活性出现显著升高,而其它酶活性变化不显著。除了脂肪酶以外,雌蟹不同盐度下的消化酶活性均明显高于雄蟹。2.4盐度淡化对无齿螳臂相手蟹非特异性免疫因子的影响对无齿螳臂相手蟹的血细胞总数,以及酚氧化酶、溶菌酶、碱性磷酸酶、超氧化物歧化酶活性进行检测。结果表明,随着盐度淡化,雌、雄蟹肝胰腺酚氧化酶和碱性磷酸酶和血淋巴酚氧化酶活性先保持稳定,至12-6‰时酶活性被显著激活(P<0.05)。同时,雄蟹血淋巴和肝胰腺超氧化物歧化酶活性也呈现出相同的变化趋势。相反,雌、雄蟹的血细胞总数和肝胰腺溶菌酶活性先略升高,至盐度降至18‰时活性受到普遍抑制。盐度降至0‰后,免疫酶活性受到不同程度的抑制,仅有血淋巴溶菌酶活性出现小幅升高。除了超氧化物歧化酶以外,雌蟹免疫酶活性总体上高于雄蟹。综合以上研究结果,无齿螳臂相手蟹具有渗透调节能力,其等渗盐度接近20‰。绝大多数代谢指标在24-18‰盐度范围内含量较低,而盐度为6-0‰时含量较高。除溶菌酶外,免疫酶活性在12-0‰范围内被显著激活。同时,蛋白消化能力显著增强,而碳水化合物消化过程受到普遍抑制。雌蟹免疫和消化酶活性总体上高于雄蟹,说明雌蟹对水体盐度变化的适应能力较强。然而,长期淡水胁迫可能导致雌、雄蟹的免疫防御能力和代谢指标受到抑制,这可能会对种群的生存和繁衍造成负面影响,导致种群消亡。3盐度淡化对无齿螳臂相手蟹繁殖指标的影响3.1盐度淡化对无齿螳臂相手蟹性腺发育、交配和产卵的影响采取急性降盐法,研究了盐度淡化(24‰、18‰、12‰、6‰、0‰)对无齿螳臂相手蟹性腺发育和交配行为,以及卵巢和肝胰腺的总脂含量进行检测和分析。结果显示,(1)实验12-48d期间,雌蟹12-24‰组和雄蟹6-18‰组性腺指数总体上均高于淡水组;(2)实验24-48d,雌蟹和雄蟹12-24‰组肝胰腺指数显著低于淡水组(P<0.05);(3)实验12-48d,雌蟹12-24‰组卵巢脂肪含量显著高于淡水组(P<0.05),而18-24‰组肝胰腺脂肪含量显著低于淡水组(P<0.05);(4)实验24d时,12-18‰组雌蟹有纳精行为,但无抱卵蟹出现。实验48d时,各盐度组纳精蟹占比均超过75%,且12-24‰组雌蟹抱卵率均为12.5%。以上结果说明,淡水环境对雌、雄蟹的性腺发育会造成一定限制,进而影响交配和产卵。3.2盐度淡化对无齿螳臂相手蟹胚胎存活和发育的影响研究了盐度变化对无齿螳臂相手蟹胚胎存活和发育的影响。结果表明,在0‰盐度下各时期胚胎的流产数量升高趋势最明显,卵裂期和原肠期胚胎分别在144h和240h达到100%流产。同时,0‰盐度中胚胎发育的概率较低,仅14%的心跳期胚胎可以发育至出膜前期。相反,在12‰盐度下卵裂期、原肠期和眼点期胚胎流产数量最少,仅为0‰组的12-19%,而眼点期和心跳期胚胎发育较快,仅需要240h和144h便可以发育至出膜前期。在6‰盐度下,心跳期胚胎流产数量最少,为0‰组的22%,而各时期胚胎在此盐度下均获得较快的发育速度,至出膜前期的时间为144-288h。上述结果证明,无齿螳臂相手蟹胚胎发育的最适盐度为6-12‰,而淡水环境中胚胎很难发育至出膜前期,且流产胚胎数量远远高于各盐度组。因此,围垦潮滩中无齿螳臂相手蟹数量持续减少可能是由于幼体补充困难所致。综合以上研究可以看出,淡水环境可能会抑制无齿螳臂相手蟹的性腺发育、交配和产卵过程。同时,淡水中胚胎的流产率大幅增加,进而导致种群数量无法得到补充。因此,围垦湿地水体盐度淡化导致无齿螳臂相手蟹无法顺利完成繁殖过程,这可能是种群消亡的主要原因。